哈密地區(qū)氣象干旱監(jiān)測(cè)指數(shù)研究

慕彩蕓，程海濤，張治雄

（1哈密地區(qū)氣象局，新疆 哈密839000；2.獨(dú)山子氣象局，新疆 獨(dú)山子833600）

哈密地區(qū)地處新疆東部，地緣遼闊，土地面積13.7萬km2，降水少而分布不均，是典型的干旱區(qū)，干旱是該區(qū)域最主要的氣象災(zāi)害。天山山脈橫亙東西，將哈密地區(qū)分割為氣候完全相異的南北兩部分，北部降水量100～250 mm，南部降水量30～50 mm，天山山區(qū)降水量可達(dá)500～600 mm，是當(dāng)?shù)氐乃吹睾汀八?，成了哈密地區(qū)主要的調(diào)節(jié)水源。哈密地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以綠洲灌溉農(nóng)業(yè)為主，山區(qū)降水和冰雪融水是河流的主要水源補(bǔ)給。

在對(duì)干旱的研究過程中，人們制定了許多干旱指數(shù)來對(duì)干旱進(jìn)行監(jiān)測(cè)，例如有降水量距平百分率氣象干旱等級(jí)（Pa），相對(duì)濕潤度指數(shù)氣象干旱等級(jí)（M），帕默爾干旱指數(shù)（X），標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI），土壤相對(duì)濕度干旱指數(shù)（R），綜合氣象干旱指數(shù)（CI），Z指數(shù)等[1-4]。這些干旱指數(shù)大致可歸納為單要素指數(shù)和多要素指數(shù)，前者考慮因素少，但計(jì)算和所需資料簡(jiǎn)單，便于應(yīng)用；后者考慮因素多一些，但計(jì)算復(fù)雜，需要收集資料多，有些資料在實(shí)際應(yīng)用中較難獲得。干旱的形成和發(fā)展是水分虧缺緩慢積累的過程，一個(gè)好的干旱指數(shù)既要考慮某一段時(shí)間的水分虧缺量，又要考慮持續(xù)時(shí)間。目前較為流行的帕默爾氣象干旱指數(shù)[5-11]考慮因子較為全面，有較好的時(shí)空比較性，但該指數(shù)涉及參數(shù)多，計(jì)算過程復(fù)雜，限制了它在實(shí)際干旱監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用；而當(dāng)前應(yīng)用較廣泛的Z指數(shù)只考慮降水一個(gè)因素，應(yīng)用簡(jiǎn)便，但未考慮到干旱的累積性，且對(duì)于旱澇等級(jí)的劃分人為性大。因此，嘗試結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，建立一個(gè)氣象意義明顯且應(yīng)用簡(jiǎn)便的修正帕默爾氣象干旱指數(shù)，以服務(wù)于該地區(qū)的干旱監(jiān)測(cè)、診斷業(yè)務(wù)。

1 資料與方法

1.1 資料來源

考慮到該地區(qū)南、北氣候差異明顯，分南、北兩個(gè)區(qū)域?qū)艿貐^(qū)干旱指數(shù)進(jìn)行研究。選取1961—2010年逐月降水觀測(cè)資料，南部區(qū)域代表站為哈密、紅柳河、十三間房，北部區(qū)域代表站為巴里坤、伊吾、淖毛湖。文中所用氣象和旱情資料均來源于哈密地區(qū)氣象局。

1.2 Z指數(shù)干旱指標(biāo)

Z指數(shù)是假設(shè)某時(shí)段的降水量服從PersonⅢ型分布，而后對(duì)降水量進(jìn)行正態(tài)化處理，這樣可將概率密度函數(shù)PersonⅢ型分布轉(zhuǎn)換為以Z為變量的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，消除了不同地區(qū)和時(shí)期的氣候差異，能夠較客觀地反映出降水量的正負(fù)異常狀況。Z指數(shù)的計(jì)算公式如下：

其中，Cs為偏態(tài)系數(shù)且，標(biāo)準(zhǔn)差

1.3 修正帕默爾氣象干旱指數(shù)

計(jì)算哈密地區(qū)各代表站點(diǎn)1961—2010年的標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)。依據(jù)帕默爾干旱指數(shù)的基本原理[5-11]，干旱強(qiáng)度是水分虧缺量與持續(xù)時(shí)間的函數(shù)，因此干旱指數(shù)應(yīng)包括時(shí)間這個(gè)因子。分別選取兩個(gè)區(qū)域歷史時(shí)期中不同持續(xù)時(shí)期的最旱時(shí)段的累積Z值（表1），假定歷史中的某些最旱時(shí)段達(dá)到極端干旱。

表1 歷史最旱時(shí)段持續(xù)時(shí)間及累積Z值

將Z的累積值ΣZ（縱坐標(biāo)）與持續(xù)時(shí)段t（橫坐標(biāo)）點(diǎn)繪于圖1中，得到回歸直線（實(shí)線），表示各種時(shí)間尺度的極端干旱，根據(jù)帕默爾對(duì)干旱等級(jí)的劃分[6]，假定極端干旱情況下的旱度值X＝-4.0，圖中右側(cè)的縱坐標(biāo)也可從正常到極端分成4等份。在圖1中做出3條處于實(shí)線上方的直線（虛線），分別代表了輕旱、中旱和重旱的上限，旱度值Z分別為-1.0、-2.0、-3.0。

圖1 哈密南部干旱指數(shù)與水分異常積累值和持續(xù)時(shí)間關(guān)系圖

由圖建立干旱指數(shù)xi與累積值Z和時(shí)間t的關(guān)系式，建立干旱指數(shù)模式：

南部：

北部：

方程（2）、（3）僅是不同時(shí)期指數(shù)值Z的代數(shù)和，這種線性關(guān)系并不能真正代表持續(xù)時(shí)間t和旱度值xi之間的關(guān)系，為了考慮每個(gè)月對(duì)干旱嚴(yán)重程度的貢獻(xiàn)，對(duì)上式進(jìn)行變換得到：

南部：

北部：

方程（4）、（5）即為哈密地區(qū)南、北部修正帕默爾氣象干旱指數(shù)的計(jì)算公式，其中Xi為上月干旱指數(shù)，間接反映了時(shí)間因子的作用。

1.4 干旱結(jié)束的計(jì)算

根據(jù)公式（4）、（5）計(jì)算干旱指數(shù)時(shí)，要確定系列當(dāng)中每個(gè)月當(dāng)月結(jié)束旱段或濕潤段的可能性，當(dāng)月旱段或濕潤段開始的可能性以及已經(jīng)開始的干旱段或濕潤段的嚴(yán)重程度等幾個(gè)方面的信息，帕默爾以定量化的方式來確定旱段或濕潤段的開始和結(jié)束，即X≤-0.5時(shí)，認(rèn)為干旱期開始，X>-0.5時(shí)，就認(rèn)為干旱結(jié)束，從而可以得到某月使干旱減輕到正常狀態(tài)所需的水分即Ze，使干旱嚴(yán)重程度減輕的Z值即“有效增濕量”Uw。

南部：

北部：

計(jì)算干旱（濕潤）結(jié)束的概率Pe為：

1.5 區(qū)域干旱指數(shù)的建立

公式（4）、（5）是計(jì)算單站修正帕默爾氣象干旱指數(shù)的模式，要反映區(qū)域旱澇情況，就要建立區(qū)域干旱指數(shù)。通常情況下對(duì)于降水分布均勻的一個(gè)較小區(qū)域，如哈密地區(qū)的南、北部，某月的旱澇狀況的分布相對(duì)也較均勻，其干旱指數(shù)的計(jì)算公式為：

式中，X為某月區(qū)域干旱指數(shù)，Xij為i月j站干旱指數(shù)，m為區(qū)域內(nèi)的站點(diǎn)數(shù)。

計(jì)算哈密地區(qū)南、北區(qū)域1961—2010逐月修正帕默爾氣象干旱指數(shù)，根據(jù)其分布的特點(diǎn)將其劃分為7等級(jí)（表2）。鑒于哈密地區(qū)是極端干旱區(qū)，澇災(zāi)不是本區(qū)域的主要災(zāi)害，本文重點(diǎn)討論干旱發(fā)生時(shí)該指數(shù)的表現(xiàn)情況。

表2 哈密地區(qū)區(qū)域干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與分析

2.1 修正帕默爾氣象干旱指數(shù)驗(yàn)證

為使旱澇等級(jí)能真實(shí)地代表一個(gè)區(qū)域的旱澇狀況，仍按照南、北兩個(gè)區(qū)域分別計(jì)算其修正帕默爾氣象干旱指數(shù)。由干旱指數(shù)變化圖（圖2）看出，哈密地區(qū)南、北區(qū)域在1961—2010年50 a中旱澇交替，南部較北部旱澇程度波動(dòng)大，南部自20世紀(jì)60年代以來先后出現(xiàn)5次較明顯的干旱，分別在1963年、1969年、1977年、1985年、1997年，北部 20世紀(jì)60—70年代干旱指數(shù)的振幅明顯小于后期，較明顯干旱主要集中在80年代至90年代初，分別為1982年、1985—1986年、1989年、1991年。

根據(jù)歷史旱情發(fā)生記錄對(duì)上述干旱指數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證：1963年，哈密南部干旱嚴(yán)重，5 333.3 hm2小麥因缺水大部枯萎而死；1977年哈密市境內(nèi)部分泉眼干涸，坎兒井?dāng)嗔鳎←溛茨馨磿r(shí)澆頭水，嚴(yán)重缺苗，山區(qū)人畜飲水困難；1982年伊吾縣干旱嚴(yán)重，牧草干枯，禾苗受旱，糧食減產(chǎn)，幼羔損失達(dá)4 000只；1985年全地區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重干旱，巴里坤縣糧食、油料總產(chǎn)比上年減產(chǎn)40%，伊吾縣作物播種面積減少289.3 hm2，農(nóng)民口糧、畜牧飼料供應(yīng)嚴(yán)重困難；1986年全地區(qū)約33 333.3 hm2農(nóng)田、5萬人、20萬頭牲畜受到干旱缺水的嚴(yán)重威脅；1989年哈密地區(qū)遭遇建國以來最嚴(yán)重的春旱，農(nóng)田受災(zāi)面積7 000 hm2，占播種面積的55.5%，巴里坤縣旱情特別嚴(yán)重，糧食總產(chǎn)較上一年下降50%；1991年哈密地區(qū)普遍干旱，播種期推后一周左右，有些地方達(dá)15 d。上述旱情記錄與修正帕默爾氣象干旱指數(shù)的吻合度很高。

通過旱情記錄與所建修正帕默爾氣象干旱指數(shù)對(duì)比分析可以看出哈密地區(qū)旱情發(fā)生有如下特點(diǎn)：由于哈密南部灌溉用水對(duì)山區(qū)降水和積雪融水的依賴度大，而山區(qū)降水與北部區(qū)域降水特征相似，部分年份哈密北部嚴(yán)重干旱，卻導(dǎo)致全地區(qū)出現(xiàn)明顯旱災(zāi)，例如1989年、1991年；哈密南部修正帕默爾氣象干旱指數(shù)顯示嚴(yán)重干旱的1969年和1997年無旱情記錄，這是由于北部在這兩年并未出現(xiàn)明顯干旱，山區(qū)降水和積雪融水補(bǔ)充了哈密南部降水的不足。因此北部干旱指數(shù)的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)是哈密地區(qū)干旱監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵（圖2）。在作物生長季，修正帕默爾氣象干旱指數(shù)連續(xù)3個(gè)月以上達(dá)到中度干旱或1個(gè)月達(dá)到重度干旱即可導(dǎo)致哈密地區(qū)出現(xiàn)明顯的旱情（圖2）。

圖2 哈密南部（a）北部（b）1961—2010年修正帕默爾氣象干旱指數(shù)變化圖

2.2 三種干旱指數(shù)對(duì)比

將新建的哈密南北部修正帕默爾氣象干旱指數(shù)與在業(yè)務(wù)上應(yīng)用廣泛的Z指數(shù)、降水距平百分率干旱指數(shù)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析（圖3，干旱等級(jí)0～4分別代表正常、輕旱、中旱、重旱），結(jié)果表明Z指數(shù)在干旱等級(jí)的表現(xiàn)方面過于遲鈍，1961—2010年干旱指數(shù)的最高級(jí)別僅為中度干旱，但其變化趨勢(shì)與修正帕默爾氣象干旱指數(shù)較為接近，要在當(dāng)?shù)貞?yīng)用需重新修改干旱等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)。降水距平百分率干旱指數(shù)在干旱等級(jí)的表現(xiàn)方面過于靈敏，以致指示的干旱程度偏重，極易達(dá)到重度干旱，因而在業(yè)務(wù)上缺乏應(yīng)用基礎(chǔ)。Z指數(shù)和降水距平百分率干旱指數(shù)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)參見文獻(xiàn)[1，7]。

圖3 哈密地部2000—2010年三種干旱指數(shù)等級(jí)值比較

2.3 干旱特征分析

從表3可以看出哈密地區(qū)南、北部年代際修正帕默爾氣象干旱指數(shù)總體呈上升趨勢(shì)，南部月總降水量小，導(dǎo)致南部較北部干旱指數(shù)變幅大。20世紀(jì)60年代哈密南部為明顯的干旱期，北部的干旱指數(shù)也呈負(fù)值，表明偏干，70、80年代僅有北部在80年代干旱指數(shù)為負(fù)值，結(jié)合圖2可以看出這一時(shí)期修正帕默爾氣象干旱指數(shù)變幅大，集中出現(xiàn)了幾次持續(xù)時(shí)間較長的干旱時(shí)段，90年代后期干旱指數(shù)均為正值，無明顯干旱。

表3 20世紀(jì)60年代—21世紀(jì)第一個(gè)10 a間哈密地區(qū)修正帕默爾氣象干旱指數(shù)年代際變化

圖4分別分析了哈密地區(qū)南北部輕度、中度、重度干旱發(fā)生的頻率。自20世紀(jì)60年代哈密南部三種干旱發(fā)生頻率均呈不同程度的下降，輕度干旱發(fā)生頻率下降最快，以每10 a 5.8%的速度遞減；中度干旱發(fā)生頻率在90年代小幅反彈，但整體呈下降趨勢(shì)；重度干旱發(fā)生頻率在90年代后為0%。哈密北部輕度干旱發(fā)生頻率在20世紀(jì)70、80年代較60年代明顯下降，但90年代明顯增加，之后又顯著下降，呈 倒“S”型；中度、重度干旱發(fā)生頻率變化趨勢(shì)相似，20世紀(jì)60—70年代均為0%，80年代達(dá)到最高峰，此后遞減，其中重度干旱在90年代后頻率為0%。

3 結(jié)論與討論

圖4 哈密南部（a）、北部（b）年代際干旱發(fā)生頻率變化圖

（1）哈密地區(qū)南北區(qū)域氣候差異大，為此將哈密地區(qū)分為南、北兩部分，分別建立其區(qū)域修正帕默爾氣象干旱指數(shù)，并對(duì)其干旱等級(jí)進(jìn)行客觀劃分。通過與旱情對(duì)比分析，該干旱指數(shù)能較為準(zhǔn)確地反映出本區(qū)域干旱強(qiáng)度。通過與Z指數(shù)、降水距平百分率兩種干旱指數(shù)的對(duì)比，表明該指數(shù)能夠克服其它兩種干旱指數(shù)未考慮干旱積累時(shí)間，Z指數(shù)過于遲鈍而降水距平百分率指數(shù)過于敏感的缺點(diǎn)，簡(jiǎn)單易用，適用于當(dāng)?shù)馗珊当O(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)。

（2）山區(qū)降水和積雪融水對(duì)哈密南部干旱影響明顯，山區(qū)降水特征與北部降水特征相似，因此北部出現(xiàn)嚴(yán)重干旱也會(huì)導(dǎo)致南部出現(xiàn)明顯的旱災(zāi)，而南部本應(yīng)出現(xiàn)的嚴(yán)重干旱也會(huì)因能得到山區(qū)水源的及時(shí)補(bǔ)充而無災(zāi)情。因此北部干旱指數(shù)的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)是哈密地區(qū)干旱監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵。

（3）在作物生長季，修正帕默爾氣象干旱指數(shù)連續(xù)3個(gè)月以上達(dá)到中度干旱或1個(gè)月出現(xiàn)重旱即可導(dǎo)致哈密地區(qū)出現(xiàn)明顯的旱情。

[1]中國氣象局政策法規(guī)司．氣象標(biāo)準(zhǔn)匯編2005-2006[M]．北京：氣象出版社，2008：33-53．

[2]袁文平，周廣勝．標(biāo)準(zhǔn)化降水指標(biāo)與Z指數(shù)在我國應(yīng)用的對(duì)比分析[J]．植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2004，28（4）：523-529.

[3]樊高峰，苗長明，毛裕定．干旱指標(biāo)及其在浙江省干旱監(jiān)測(cè)分析中的應(yīng)用[J]．氣象，2006，32（2）：70-74．

[4]謝五三，田紅．五種干旱指標(biāo)在安徽省應(yīng)用研究[J]．氣象，2011，37（4）：503-507．

[5]楊小利．西北地區(qū)氣象干旱監(jiān)測(cè)指數(shù)的研究和應(yīng)用[J]．氣象，2007，33（8）：90-96．

[6]范嘉泉，鄭劍非．帕默爾氣象干旱研究方法介紹[J]．氣象科技，1984，12（1）：63-71．

[7]劉巍巍，安順清，劉庚山，等．帕默爾旱度模式的進(jìn)一步修正[J]．應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2004，15（2）：207-216．

[8]范嘉泉，鄭劍非.帕爾默氣象干旱研究方法介紹[J]．氣象科技，1984，12（1）：63-71．

[9]姚玉璧，董安祥，王毅榮，等.基于帕默爾干旱指數(shù)的中國春季區(qū)域干旱特征比較研究 [J]．干旱區(qū)地理，2007，30（1）：17-25．

[10]劉庚山，郭安紅，安順清，等．帕默爾干旱指標(biāo)及其應(yīng)用研究進(jìn)展[J]．自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2004，13（4）：21-27．

[11]衛(wèi)捷，陶詩言，張慶云．Palmer干旱指數(shù)在華北干旱分析中的應(yīng)用[J]．地理學(xué)報(bào)，2003，58（增刊）：91-99．

[12]申雙和，呂厚荃．修正帕默爾干旱指數(shù)在農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].中國農(nóng)業(yè)氣象，2009，30（2）：257-261．

[13]張存杰，王寶靈，劉德祥．西北地區(qū)旱澇指標(biāo)的研究[J]．高原氣象，1998，17（4）：381-389．

[14]張強(qiáng)，鞠笑生，李淑華．三種干旱指標(biāo)的比較和新指標(biāo)的確定[J]．氣象科技，1998，26（2）：48-52．

[15]黃妙芬．黃土高原西北部地區(qū)的旱度模式[J]．氣象，1990，17（1）：23-27．

[16]朱炳瑗，謝金南，鄧振鏞．西北干旱指標(biāo)研究的綜合評(píng)述[J]．甘肅氣象，1998，16（1）：35-36．

[17]程炳巖，錢曉燕，朱業(yè)玉．河南干旱指標(biāo)的客觀性研究[J]．氣象，2000，10（5）：32-33．

[18]袁文平，周廣勝．標(biāo)準(zhǔn)化降水指標(biāo)與Z指數(shù)在我國應(yīng)用的對(duì)比分析[J]．植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2004，28（4）：523-529．

[19]王春乙，潘亞茹．時(shí)間序列的ARMA模型在干旱長期預(yù)測(cè)中的應(yīng)用[J]．中國農(nóng)業(yè)氣象，1989，10（1）：58-61．

[20]張?jiān)氯A，耿燕．烏魯木齊地區(qū)一種新的干旱指標(biāo)的探討[J]．沙漠與綠洲氣象，2008，2（6）：34-37．

[21]孟猛，倪健，張治國．地理生態(tài)學(xué)的干燥度指數(shù)及其應(yīng)用評(píng)述[J]．植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2004，28（6）：856-861．

[22]江遠(yuǎn)安，趙逸舟，陳穎，等．干旱指數(shù)CI的確定及其在新疆的應(yīng)用[J]．沙漠與綠洲氣象，2010，4（2）：18-20．

[23]葉建剛，吳洪寶．我國東南部夏季干旱指數(shù)研究[J]．應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2000，11（2）：137-144．

[24]楊麗慧，高建蕓，蘇汝波．改進(jìn)的綜合氣象干旱指數(shù)在福建省的適用性分析[J].中國農(nóng)業(yè)氣象，2012，33（4）：603-608．

[25]阿帕爾，葉爾克江，阿斯馬．昌吉市氣候干旱指標(biāo)對(duì)比分析[J]．沙漠與綠洲氣象，2009，3（3）：22-25．

[26]王勁松，馮建英．甘肅省河西地區(qū)徑流量干旱指數(shù)初探[J]．氣象，1999，26（6）：3-7.